CN101123453A - 频率测量的通道交换试验智能判断方法 - Google Patents

Abstract

频率测量的通道交换试验智能判断方法，发信机端进行频率测量，将频率为X(KHz)的正弦波经过一个比较器整形后得到一个频率为X(KHz)的方波信号，而后经过一个分频系数为Z的分频器，对同频率的方波进行分频产生低频率的方波，就可以得到频率为Y(KHz)的方波信号；再对低频率的方波周期进行精确时间测量，通过测量低频率方波周期得到的时间和分频器分频的倍数还原正弦波频率；在测量过程中，设置一个计数器，此计数器在方波的上升沿清零并开始计数，当下一个方波的上升沿到来时计数器将计数值保存到另一个寄存器后再次清零并进行下一轮的计数；可再进行通道功率测量。

Description

频率测量的通道交换试验智能判断方法

技术领域

本发明涉及电力系统中与高压线路保护配合的继电保护领域，判断高压电力线为主的通道交换试验智能判断方法和装置，还涉及电力系统中与高压线路保护配合的继电保护专用电力线载波的参数判断方法及装置-收发信机，尤其是电力线载波收发信机和线路保护构成的高频闭锁式保护方法。

背景技术

通常电力线载波收发信机和线路保护一起构成高频闭锁式保护需要通过以高压电力线为主的通道来传送高频闭锁信号，因此通道是否正常对高频闭锁式保护是十分重要的。为了保证通道正常，现场运行人员需要每天做通道交换试验来检测通道的好坏。通常运行人员判断通道交换试验的好坏主要是通过观察收发信机功率表头的摇摆，并且看收发信机的3dB告警灯是否亮，或者还有的需要看保护装置变位情况等等。这些方法存在很多的不便，首先运行人员需要观察多个量后才能判断通道是否正常，其次人为判断容易引起漏判和误判的现象。

通道功率电平是收发信机另外一个很重要的指标，运行人员往往一方面需要知道通道功率电平来判断通道的好坏，另一方面需要知道通道功率电平来知道收发信机发信电平和起动电平，并且通道功率电平值还是收发信机“收信”输出和“3dB告警”输出产生的依据，因此如果能够提供具有功率实时测量功能的收发信机，则大大方便了现场运行和维护人员。

所述高频闭锁信号实质为单一频率的正弦波信号，对于发信端收发信机而言发出正确频率的正弦波信号是致关重要的，如果收发信机功率放大器放大的信号频率和线路滤波器的频率不一致，则会有信号发不出来的情况，或者发信端收发信机发出的频率和收信端收发信机的频率不一致则会造成收信端收发信机没有办法收到信号的情况。目前国内的收发信机产生频率的方法通常有两种，一种是使用基于锁相环的频率合成方式，另外一种是基于数字频率直接合成(DDS)的方式，但如果装置运行过程中出现频率合成有问题的情况(如正弦波频率因为器件老化等发生改变或者因为芯片损坏根本没有正弦信号生成)，收发信机没有提供相应措施来进行判断，这时如果发生区外输电线路故障则会造成保护装置误动的情况。

发明内容

本发明提供了一种能够实时测量所产生信号频率的一种方法，防止特定情况下产生错误的发信频率；为了使收发信机对产生或者接收的功率能够进行实时监测，本发明还提供了一种能够实时测量通道功率的方法。本发明克服现行人工判断通道交换试验带来的不足，提供一种智能判断通道交换试验的方法，这种方法不需要运行人员参与通道交换试验的判断，只需要等待收发信机在液晶上给出通道交换试验的结果，如果通道交换试验失败则还显示出失败的原因。

本发明所采用的频率测量技术方案是：一种通道交换试验智能判断方法，由发信机端进行频率测量，将频率为X(KHz)的正弦波经过一个比较器整形后得到一个频率为X(KHz)的方波信号，而后经过一个分频系数为Z的分频器，对同频率的方波进行分频产生低频率的方波，就可以得到频率为Y(KHz)的方波信号；再对低频率的方波周期进行精确时间测量，通过测量低频率方波周期得到的时间和分频器分频的倍数还原正弦波频率；在测量过程中，设置一个计数器，此计数器在方波的上升沿清零并开始计数，当下一个方波的上升沿到来时计数器将计数值保存到另一个寄存器后再次清零并进行下一轮的计数；设计数器每加1所用的时间为K，寄存器保存下来的计数值为M，则得到：

$Y=\frac{1}{M*K}---\left(1\right)$

又知

X＝Y*Z    (2)

由(1)和(2)有

$X=\frac{Z}{M*K}---\left(3\right)$

这样就得到了所需要测量的频率X。

再进行通道功率测量：首先将被测量的正弦信号衰减成小信号后和本地载频进行混频得到差频频率为0.5-10M区间内的某个整数频率信号；如1MHz的正弦信号，然后采用中心频率为整数频率信号(如1MHz)窄带滤波器滤除其它频率成分并提取出测量所需要的1MHz信号，再对1MHz频率正弦信号进行精密整流和峰值提取后得到直流电平，根据正弦信号功率和整流得到直流电平值的关系，就可以通过采样直流电平来测量出正弦信号的功率。

所述的通道交换试验智能判断方法，是用收发信机的微处理器定时对收发信机开关量“收信”和“发信”进行采样，通过这两个开关量和收发信机通道交换试验的逻辑进行对比，再对照通道试验过程中有无通道3dB跌落告警产生，判断通道交换试验的成败。

所述方法的步骤包括：

1)微处理器通过对开入量“发信”进行判断，如果“发信”为1的时间为200±10毫秒，则认为通道交换试验开始；

2)当微处理器认为通道交换试验开始后，对开入“发信”和开出“收信”进行连续监视，如果“收信”满足连续15.2±0.2秒为1，并且“发信”量在“收信”为1的最后10±0.1秒时间内也为1，则判断通道交换试验逻辑完成；

3)当步骤2)完成后，微处理器查看在“收信”为1的时间内，如果没有通道3dB跌落告警，则最终判定整个通道交换试验成功；如果步骤2)中判断通道交换试验逻辑没有完成或有通道3dB跌落告警中任意一个不满足，则判定通道交换试验失败。

4)当通道交换试验开始，并且整个通道交换试验的判断过程完成后，微处理器会输出判断的结果以及由“通道电平”、“发信”和“收信”组成的录波波形，如果通道交换试验失败则还输出具体失败的原因。

通道功率测量采用的技术方案是：首先将被测量的正弦信号衰减成小信号后和本地载频进行混频得到频率为1MHz的正弦信号，然后采用中心频率为1MHz窄带滤波器滤除其它频率成分并提取出测量所需要的1MHz信号，再对1MHz频率正弦信号进行精密整流和峰值提取后得到直流电平，根据正弦信号功率和整流得到直流电平值的关系，就可以通过采样直流电平来测量出正弦信号的功率。

本发明有益效果是：使收发信机能够对频率和通道功率进行实时监测和检测，收发信机能够在运行过程中频率出错的情况下及时恢复设定的频率，如果无法恢复可以产生告警通知运行人员，避免了由于频率错误可能导致的严重后果，大大提高了收发信机的可靠性；通道功率估计功能可以方便地测量收发信机的发信电平、起动电平和收信电平，使工作人员直接以数字化方式得到通道口的功率电平，而不需要再借助于专门测量仪器，大大简化了现场运行人员和维护人员的工作流程。

本发明判断通道交换试验的成败，用微机智能判断的方法可以简化运行人员工作。

附图说明

图1频率测量实现原理图。

图2为比较器在噪声作用下发生翻转现象示意图。

图3为带滞回特性的比较器，A点为下降沿产生的比较电平值，B点为上升沿产生的比较电平值。

图4是频率测量过程中由计数器测量方波信号周期时带来误差示意图。

图5是频率测量的一种具体实现方案。

图6为功率测量实现原理图。

图7为精密整流效果图。

图8为峰值提取效果图。

图9为混频过程中随着输入信号幅值变化，输出信号幅值并不一定随着输入信号呈线形变化而产生的非线形情况。

图10为收发信机通道交换试验发信和收信开关量标准时序图

图11为本发明判断通道交换试验开始的示意图

图12为本发明判断通道交换试验逻辑是否完成的示意图

图13是本发明3dB电平跌落告警的判断时间区域

图14是本发明通道交换试验判断后显示界面示意图

图中A，B为输电线路两侧的收发信机，A为通道交换试验的发起端，时间单位为毫秒或者秒。

图15是实施电路图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

通道交换试验采用微处理器智能判断的方法，对频率测量的误差的修正方法：上面的测量是在不考虑误差理想情况下进行的。分析一下误差引入的可能性，首先实际过程中需要被测量频率的正弦波并不一定波形很好，如果采用一般比较回路稍微有噪声就会造成频繁翻转的现象，使整形出来的方波和原来正弦波频率完全不一致，参见图2所示，可以看到在绿色横线处由于正弦波波形对于零点发生了翻转造成整形出来的波形也发生了翻转，于是正弦波和整形出来的方波频率完全不一致，测量出来的频率大大偏离了真实值。

为了解决这个问题可以采用滞回比较方法，这种方法使比较器产生上升沿和下降沿的比较电压不一样，两个比较电压的差值称为滞回窗口，参见图3所示，比较器下降沿在A点处产生，上升沿在B点处产生，滞回窗口为|A-B|，在滞回窗口的作用下比较器抗扰动能力大大增强，使频率测量精度有很大提高。

另外一方面在频率测量过程中引入误差的是方波周期测量过程。计数器是根据一定的频率来计数的，所以用计数器进行周期测量时会有一个最小分辨率。参见图4：设计数器每加1所用的时间为T，被测量的方波实际周期为t3-t1，由计数器测量得到的方波周期tm为：

t_m＝t2-t1＝{n+4-(n+1)}*T＝3T    (4)

可以看到引入的误差为：

Δt＝t3-t2                    (5)

从图4中可以看出由计数器引起的误差Δt最大值趋向于T，而不会大于等于T，不考虑其它误差可以得到正弦波测量出来的频率f_m为：

$f_m=\frac{1}{t2-t1}*Z=\frac{1}{t3-\mathrm{\Δt}-t1}*Z---\left(6\right)$

取Δt为极限情况T，则有

$f_m=\frac{1}{t3-t1-T}*Z---\left(7\right)$

式(7)说明如果计数器计数的间隔时间只要足够小，即T→0，则测量出来的频率f_m可以无限趋近于被测正弦波真实频率。图5为实现频率测量时所采用的具体电路方案，其中分频器用FPGA来实现，而周期测量使用带捕获功能的DSP来实现。

功率测量方法：在中华人民共和国电力行业标准DL/T524-2002中规定，收发信机的不平衡输入/输出阻抗为75Ω，所以可以通过测量电压的方式完成功率测量。由于收发信机一般发送和接收的功率比较大(一般大于等于10W)，所以对通道上的信号不能直接进行处理，必须将其衰减为小信号后再进行处理。图6中的衰减器就是实现了这个功能，频率为X(KHz)(DL/T524-2002中规定X不大于400)的正弦信号衰减后和频率为(1000-X)(KHz)的正弦信号进行混频，产生频率为1MHz的正弦信号，通过中心频率为1MHz的窄带滤波器，滤除其它不需要频率分量，再将1MHz的正弦信号通过精密整流电路和峰值提取电路转化为直流电压，最后经A/D采样后送往DSP进行处理，整个流程见图6所示。

之所以混频产生1MHz的信号，是因为这样做可以使用一个固定中心频率的窄带滤波器完成所有的滤波要求，当所测量的正弦波信号频率发生改变时，需要做的工作只是将本地混频信号频率相应改变，这是非常容易做到的，而窄带滤波器无需做任何变动，大大降低了对滤波器的要求。正弦信号通过精密整流电路整流为频率为原来2倍的信号，然后再提取整流后信号的峰值，可以使峰值的提取更为容易一些。通过对功率估计回路加入已知信号的方法测得补偿曲线，对直流电平进行补偿，可以提高通道功率估计的准确性。

理论推导为：设通道信号为Asin2πf_Xt，本地混频信号为Bsin2πf_Yt，其中f_X+f_Y＝1MHz，两信号混频后有：

$A\sin 2\mathrm{\π}{f}_{X}t*B\sin 2\mathrm{\π}{f}_{Y}t=-\frac{\mathrm{AB}}{2}[\cos 2\mathrm{\π}(f_X+f_Y)\mathrm{}t-\cos 2\mathrm{\π}(f_X-f_Y)t]---\left(8\right)$

当通过中心频率为1MHz的窄带滤波器后(8)式变为：

$A\sin 2\mathrm{\π}{f}_{X}t*B\sin 2\mathrm{\π}{f}_{Y}t\⇒-\frac{\mathrm{AB}}{2}\cos 2\mathrm{\π}(f_X+f_Y)t=-\frac{\mathrm{AB}}{2}\cos 2\mathrm{\π}{10}^{6}t---\left(9\right)$

从(9)式可以知道混频后1MHz波形峰值 $V_P=\frac{\mathrm{AB}}{2}$ ，设测量得到的峰值为V_MP，又因为B为已知值，因此有：

$V_{\mathrm{MP}}=V_P=\frac{\mathrm{AB}}{2}\⇒A=\frac{{2V}_{\mathrm{MP}}}{B}---\left(10\right)$

上面的推导说明如果知道混频后1MHz正弦信号的峰值，就很容易将通道上信号的功率测量出来。

提取1MHz正弦信号峰值通过两个步骤完成，首先将1MHz正弦信号通过精密整流电路整流为2MHz频率的信号，如图7所示。然后再提取2MHz信号的峰值，这样做可以使峰值的提取更为容易一些，如图8所示。

在实际实现过程中，因为混频器的线性范围有限，如图9，虚线为理想混频器输入输出特性曲线，而实线为真实混频器的特性曲线，所以必须要做一定的处理才能将原信号复原。首先通过对功率测量回路加入已知信号的方法测得补偿曲线，然后如图6中所示经过采样后的直流电平通过测得的补偿曲线在DSP中进行补偿，之后就可以通过式(10)得到所测量信号的峰值，进而得到测量信号的功率。

在本发明中，对通道交换试验判据采用了微处理器智能判断的方法来完成。图10为收发信机完成通道交换试验的发信和收信开关量的标准时序图，其中A，B为输电线路两侧的收发信机，阴影部分是A，B两台收发信机共同发信的时段，在这个时序图中A为通道交换试验的发起端。由标准时序图，本发明提出智能判断通道交换试验结果的方法有三个步骤。1)微处理器通过对开入量“发信”进行判断，如果“发信”为1的时间为200±10毫秒(正负10毫秒是因为考虑到各个厂家由于计时不精确而引起的误差，后同)，则认为收发信机通道交换试验开始；如图11所示。2)当微处理器认为通道交换试验开始后，对开入“发信”和开出“收信”进行连续监视，如果“收信”满足连续15.2±0.2秒为1，并且“发信”量在“收信”为1的最后10±0.1秒时间内也为1，则判断通道交换试验逻辑完成；如图12所示。3)当条件2满足后，微处理器查看在“收信”为1的时间内，有没有通道3dB跌落告警，如果没有则最终判定整个通道交换试验成功。如图13所示。只要条件2和3中任意一个不满足，则通道交换试验就会被判定失败。当条件1满足，并且整个通道交换试验的判断过程完成后，微处理器会在和其连接的液晶屏上显示判断的结果以及由“通道电平”、“发信”和“收信”组成的录波波形，如果通道交换试验判定失败则还显示出具体失败的原因，如图14所示。

参考附图：图10中，t1＝200ms；t2＝5.2s；t3＝10s；t4＝10s；t5＝15.2s

图12中，t1＝200ms；如果t5＝14.80s，则通道交换试验失败；t5＝15.10s，t3＝9.7s，则通道交换试验失败；如果t5＝15.10s，t3＝9.93s，则通道交换试验成功。

图13中，t1、t3、t5满足步骤2)中的要求时，并且在时间t5内，没有通道3dB跌落告警，则通道交换试验成功。

如图15所示：收发信机在通道试验过程中，通道上频率为X(KHz)，X≤400的信号衰减后和频率为(1000-X)(KHz)的信号混频然后经过中心频率为1MHz的窄带滤波器得到1MHz的信号，1MHz的信号通过精密整流和峰值提取后得到直流电平并被采样，采样数据送往DSP进行通道信号功率估计，DSP用估计出来的通道功率和用户设定的通道功率值进行比较，如果估计出来的通道功率比用户设定的通道功率值小3dB以上，则3dB跌落告警(3dBWarning)开关量为1，否则为0。峰值提取后的直流电平同时还有一路送往比较器，和设定好的装置起动电平比较，当直流信号大于装置起动电平收信输出开关量RCV为1，否则为0。开入发信信号经过隔离后(TX)和RCV及3dBWarning一样送往FPGA，在FPGA中进行防抖动处理，并形成FPGA中寄存器相应位的值。在整个通道试验过程中，DSP通过定时读取FPGA来监测TX、RCV和3dBWarning的值，并根据监测到的值判断出整个通道试验是否正常，将判断后的结果和波形通过LCD人机接口显示给用户，而整个过程不需要用户参与，做到了智能的效果。

置于通道发信机或收信机的信号处理单元，衰减器、混频器、窄带滤波器、整流电路和峰值提取电路、A/D和微处理器或CPU构成，装置起动电平发生器，另设有现场可编程控制器FPGA或CPLD，比较器，以下述方式连接，通道信号按序接衰减器、混频器、窄带滤波器、整流电路和峰值提取电路(电路构成、A/D转换电路型号、DSP微处理器或CPU型号见图15)，所述峰值提取电路的输出和装置起动电平分别接比较器输入端，比较器输出端连接现场可编程控制器FPGA或CPLD，FPGA或CPLD的数据端口和控制端口连接微处理器或CPU的相应端接口连接；微处理器或CPU的输出端口连接显示器；发信机或收信机的信号输入或输出端通过一隔离器连接FPGA或CPLD的数据输入端。

Claims (8)

1.一种频率测量的通道交换试验智能判断方法，其特征是发信机端进行频率测量，将频率为X(KHz)的正弦波经过一个比较器整形后得到一个频率为X(KHz)的方波信号，而后经过一个分频系数为Z的分频器，对同频率的方波进行分频产生低频率的方波，就可以得到频率为Y(KHz)的方波信号；再对低频率的方波周期进行精确时间测量，通过测量低频率方波周期得到的时间和分频器分频的倍数还原正弦波频率；在测量过程中，设置一个计数器，此计数器在方波的上升沿清零并开始计数，当下一个方波的上升沿到来时计数器将计数值保存到另一个寄存器后再次清零并进行下一轮的计数；设计数器每加1所用的时间为K，寄存器保存下来的计数值为M，则得到：

$Y=\frac{1}{M*K}---\left(1\right)$

又知

X＝Y*Z                    (2)

由(1)和(2)有

$X=\frac{Z}{M*K}---\left(3\right)$

这样就得到了所需要测量的频率X。

2.根据权利要求1所述的频率测量的通道交换试验智能判断方法，其特征是再进行通道功率测量：首先将被测量的正弦信号衰减后和本地载频进行混频得到差频频率为0.5-10M区间内的某个整数频率信号；如1MHz的正弦信号，然后采用中心频率为整数频率信号窄带滤波器滤除其它频率成分并提取出测量所需要的1MHz信号，再对1MHz频率正弦信号进行精密整流和峰值提取后得到直流电平，根据正弦信号功率和整流得到直流电平值的关系，就通过采样直流电平来测量出正弦信号的功率。

3.根据权利要求1或2所述的频率测量的通道交换试验智能判断方法，其特征是把收发信机的微处理器定时对收发信机开关量“收信”和“发信”进行采样，通过这两个开关量和收发信机通道交换试验的逻辑进行对比，再对照通道试验过程中有无通道3dB跌落告警产生，判断通道交换试验的成败。

4.根据权利要求3所述的通道交换试验智能判断方法，其特征是所述方法的步骤包括：

1)微处理器通过对开入量“发信”进行判断，如果“发信”为1的时间为200±10毫秒，则认为通道交换试验开始；

2)当微处理器认为通道交换试验开始后，对开入“发信”和开出“收信”进行连续监视，如果“收信”满足连续15.2±0.2秒为1，并且“发信”量在“收信”为1的最后10±0.1秒时间内也为1，则判断通道交换试验逻辑完成；

3)当步骤2)完成后，微处理器查看在“收信”为1的时间内，没有通道3dB跌落告警，则最终判定整个通道交换试验成功；如果步骤2)中判断通道交换试验逻辑没有完成或有通道3dB跌落告警中任意一个不满足，则判定通道交换试验失败。

4)当通道交换试验开始，并且整个通道交换试验的判断过程完成后，微处理器会输出判断的结果以及由“通道电平”、“发信”和“收信”组成的录波波形，如果通道交换试验失败则还输出具体失败的原因，

5.根据权利要求1所述的频率测量的通道交换试验智能判断方法，其特征是频率测量中对误差的修正方法：采用滞回比较方法，比较器产生上升沿和下降沿的比较电压不一样，两个比较电压的差值称为滞回窗口：如果比较器下降沿在A点处产生，上升沿在B点处产生，滞回窗口为|A-B|，在滞回窗口的作用下增强比较器抗扰动能力。

6.根据权利要求1所述的频率测量的通道交换试验智能判断方法，其特征是计数器计数的间隔时间只要足够小，即T→0，则测量出来的频率f_m无限趋近于被测正弦波真实频率；其中分频器用FPGA来实现，而周期测量使用带捕获功能的DSP来实现。

7.根据权利要求1所述的频率测量的通道交换试验智能判断方法，其特征是功率测量方法是：采用频率为X(KHz)的正弦信号衰减后和频率为(1000-X)(KHz)的正弦信号进行混频，产生频率为1MHz的正弦信号，通过中心频率为1MHz的窄带滤波器，滤除其它不需要频率分量，再将1MHz的正弦信号通过精密整流电路和峰值提取电路转化为直流电压，最后经A/D采样后送往DSP进行处理；其中提取1MHz正弦信号峰值通过两个步骤完成，首先将1MHz正弦信号通过精密整流电路整流为2MHz频率的信号，再提取2MHz信号的峰值。

8.根据权利要求7所述的频率测量的通道交换试验智能判断方法，其特征是经处理将原信号复原：首先通过对功率测量回路加入已知信号的方法测得补偿曲线，然后经过采样后的直流电平通过测得的补偿曲线在DSP中进行补偿，之后得到所测量信号的峰值，进而得到测量信号的功率。

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